交流移动电站自动故障检测功能分析和设计

2022-11-25彭宇林杭平平韩猛

科学与信息化 2022年11期

关键词：自动检测电站控制器

彭宇林杭平平韩猛

1. 浙江幸福航天科技有限公司浙江湖州 313000；

2. 陆军装备部驻南京地区军事代表局驻杭州地区军事代表室浙江杭州 310000

1 现有装备交流移动电站自动故障检测功能的现状分析

1.1 现有装备交流移动电站自动故障检测项目的设置

目前部队大量装备的单机运行的交流移动电站（近两年为某特定型号定向研制的型号产品除外）的自动故障检测均是由专用电站控制器实现，检测项目基本上是确保电站或用电设备安全运行的基本检测项目，设置的目的是预防和保护，预防电站或用电设备在发生这些故障时损坏或产生其他重大安全性事故，而进行的保护设置。主要分为两大类，一类为电气故障自动检测项目，主要有短路、过载、过电压、欠电压、过频、欠频、绝缘监测等；第二类为柴油发动机故障或保障发动机正常运行的自动检测项目，主要有机油压力低、机油温度高、冷却液温度高、超速或欠速、皮带断、充电机故障、蓄电池电压低、燃油液位低等。另外，有多机并联运行功能的交流移动电站还会设置有供电断路器合闸失败、同步合闸失败、逆功率等故障自动检测功能；其他，带市电、电站双电源供电自动切换功能的交流移动电站还会设置市电故障（电压高、电压低、缺相、相序错误等）自动检测功能。

通过以上自动故障检测项目的设置分析发现：①当交流移动电站发生故障时，控制装置会根据以上设置项目发出声光报警，显示短路、过载、过电压、机油压力低等设定的故障或代码，而不能具体定位到故障点和故障件，故障自动检测隔离率低，模糊度较高；②常见故障的基层级维修件如启动继电器、供油继电器、油压传感器、冷却液传感器等是没有设置自动故障检测点的，在移动电站启动和运行过程中，这些零部件发生故障时，控制装置只会显示启动失败、电压低、频率低、低油压、高温等故障信息或代码，无法自动准确进行故障件定位，只能由维修人员根据经验和技术资料对故障进一步进行分析、定位，故障自动检测的虚警率高、覆盖率低。

1.2 现有装备交流移动电站主要故障检测方式

鉴于目前交流移动电站控制系统设置的自动检测设置，为满足系统测试性，通常采用以下方式进行故障检测：

1.2.1 人工通过专业仪表仪表检测。在移动电站研制过程中，会编制使用维护说明书和技术说明书，或者是编制专门的维修手册和维修图册，在这些技术文件中详细说明常见故障的检测手段、仪器仪表和方法，确保常见故障均可测试、可维修。这种方法是目前运用最广泛的一种现场故障检测方式，专业工程技术人员是故障检测和维修工作的行为主体，故障现场的抢修时效主要取决于现场工程技术人员的技术水平和数量。而部队移动电站的使用维修人员大多是战士，受文化水平和服役年限的限制，要完全理解和熟练掌握移动电站这种机电一体化装备的故障检测和定位方法还是较为困难的，会造成电站出了故障，无法快速诊断和抢修的情况。这就对武器装备维修保障体系的人员、数量等提出了较高的要求，特别是要满足重要武器系统的战时维修保障，需要配备经过专业培训的具有丰富电站维修经验的士官。

1.2.2 用计算机通过专业故障检测软件检测。军用电站相关的专业故障检测软件主要有以下几种：①军用电站专用软件，主要是针对某些型号装备军用电站，相关科研单位研发出了一些专用软件，如：电站故障脱机诊断系统、军用电站健康管理系统、移动电站远程智能化管理系统等，用于实现部分型号电站的自动故障检测。②发动机故障自动检测软件，国内知名发动机生产厂如潍柴、玉柴、上柴等公司均研发了电控燃油喷射系统（以下简称电喷）的发动机，其电子控制单元（ECU）通过发动机专用检测软件可实时监测或查询历史故障信息，实现发动机的自动故障检测。③智能控制器件专用软件，通过专用软件与电站上的智能控制器件通讯，查询历史故障，进行故障检测。

使用计算机通过专业故障检测软件进行移动电站的故障检测有其优势，但也有一定的局限性：①通用性不足，移动电站的主要件（发动机、发电机、控制器）配置和控制器件种类型号较多，通信方式和接口各不相同，无法做到软件通用；②实时性不足，这些软件均是独立的检测或管理软件，不是集成在移动电站控制系统中。移动电站的操作、维修人员一般在外出执行任务时，不会实时携带计算机，故这些软件多用于故障后检测，而非实时故障检测、显示，难以满足移动电站战时抢修快速、及时的要求；③检测覆盖率不高，除某些型号专用软件外，由于不同电站的控制电路和器件不同，这些专业故障检测软件对不同型号种类的移动电站的检测范围限于部分器件或功能检测。

1.2.3 研发通用或专用的军用电站故障诊断设备或平台进行故障检测。为满足部队军用电站维修要求，许多军事院校、军用电站维修保障专业厂家和电站生产厂家也不断地研发各种军用电站通用故障诊断测试平台。这些军用电站通用故障诊断测试平台功能相对完善，故障检测覆盖率也高。但这种故障诊断测试平台设备相对复杂，需专门的技术人员负责操作。特别是有些移动电站不具备通信功能，甚至没有一些检测传感器时，还需要加装许多检测装置和传感器才能完成检测。由此可见，这种检测平台主要适用于移动电站修理所或专业维修保障中心等部门对移动电站的定期检测或中、大修的工作，不适用于移动电站外出执行任务过程中的战时抢修工作。

1.2.4 解决措施。由以上分析可知，要更好地解决交流移动电站的战时抢修和基层级维修过程中的自动故障检测，还是需要完善移动电站控制系统的显控单元的自动检测功能，使之具有发生故障时实时显示故障信息、定位故障点的自动故障检测功能。这需要从移动电站的控制系统设计方面进行完善。

2 实现交流移动电站自动故障检测的基本条件

交流移动电站为机电一体化设备，系统组成较为繁杂，通过交流移动电站自带的显控单元实现整个电站的自动故障检测和定位需要以下几个条件：①电站配装发动机选用电喷发动机，带电控单元（ECU）。电控单元的配置使发动机具有完善的自诊断系统，并可通过CAN总线通讯采用J1939通用协议实时将发动机的故障信息发送给电站的显控单元。目前国内主要品牌发动机均已采用电喷技术，为实现发动机的自动检测提供了技术支承。②国产宽温加固型触摸屏的应用。电站专用控制器受处理器、显示单元、内存等硬件影响，其功和性能均无法满足移动电站自动故障检测和显示的需要；计算机体积大、成本高无法安装在小功率移动电站上；进口的宽温型触摸屏价格高昂，不宜普及应用。这就需要一种小巧、经济、可靠、环境适应性和电磁兼容性好的交互式设备作为移动电站的显示控制单元。近几年来，随着军民融合的深化，国内一些工业级的触摸屏厂家通过技术攻关，研制的加固型宽温触摸屏逐渐应用军用交流移动电站，可以满足故障检测和定位（汉字+图片）显示的需求。③通信和智能控制技术的应用。武器装备的信息化、智能化建设推动了各种通信和智能控制技术在移动电站上的普遍应用。发动机与电站控制器通过CAN总线通信，电站控制器可以与各种型号的可编程序控制器（PLC）、可编程计算机控制器（PCC）、触摸屏、智能仪表通过网络、RS485、CAN总线等各种方式通信，以及通过计算机、PLC（PCC）控制器、触摸屏等对交流移动电站进行远程智能控制和管理[1]。智能器件的普遍应用，使数据采集、变换、传输更精确、快捷，数据处理更精准，为移动电站自动故障检测功能设计和实现提供了有力保障。但交流移动电站的显控单元不仅限于使用触摸屏。

3 交流移动电站自动故障检测功能的设计分析

3.1 交流移动电站自动故障检测的数据采集和处理

根据交流移动电站的基本组成功能单元以及可维修的最小单元的常见故障和故障概率，结合电站的故障模式影响和危害性分析（FMECA）结果，设计数据采集点和采集方式。主要分为以下几类：①电站整机的数据采集，即电站运行状态、运行参数和整机的故障信息等由电站控制器对采集的数据按通用电站控制原理和要求进行处理后，通过通信接口实时上传到显控单元和PLC（或PCC）。②发动机的数据采集，电站控制器和PLC（或PCC）分别通过CAN总线通信读取ECU的信息,获取所需的发动机的运行状态、运行参数和故障信息等数据，并将部分数据通过通信接口实时上传到显控单元；③发电机的数据采集，电站控制器采集电压、电流、频率等发电机的常规电力参数信息，对需要协助故障定位的绕组温升、轴承温度、励磁电压、励磁电流等数据，则由PLC（或PCC）数据采集卡或I/O通道通过传感器采集，由PLC（或PCC）进行数据处理后，上传到显控单元。④电站方舱的数据（温度、湿度、烟雾、百叶窗状态等）由PLC（或PCC）数据采集卡或I/O通道通过传感器采集，由PLC（或PCC）进行数据处理后，上传到显控单元。⑤控制器件的种类较多，先根据不同器件的工作原理来确定采集的数据形式，然后确定数据采集方式，由电站控制器和PLC（或PCC）分别通过I/O通道（采集开关量）和数据采集卡（模拟量）的采集。通常启动继电器、供油继电器、接触器类采用线圈阻值和触点反馈的两种方式；电站供电断路器则需同时采集其控制开关、常开触点、常闭触点、故障脱扣信息、漏电脱扣信息等多种数据；浪涌保护器和保护断路器这类器件则由I/O通道采用常闭（或常开）触点的方式；启动马达采集运行转速信号，充电发电机采集充电电压信号；轴流风机、风扇电动机等采集控制开关和工作电流信号；传感器根据特性采集，如电阻类采集电阻值，电压类采集电压值等[2]。PLC（或PCC）则将采集到的所有数据信息按系统的自动检测故障库设定的故障诊断流程或显控单元要求的流程进行处理和分析判断，将自动故障诊断结果发送到显控制单元。显控单元则接收操作人员输入信息，向PLC（或PCC）发送查询数据，并接收PLC（或PCC）上传的各类移动电站的参数和故障诊断数据，分析处理后显示在操作界面上。

3.2 交流移动电站自动故障检测的主要功能

自动故障检测实现的具体功能有[3]：①自动故障检测，首先实现了交流移动电站的自动故障检测，移动电站发生故障时，在显示电站和可检测单元的器件发生故障时，自动报警或保护。②故障分类，根据故障危害程度，将故障分为预警、报警和故障三类，分别采取文字显示提醒、声光报警+信息提醒和声光报警并分闸或停机保护的措施。③故障定位，发动机故障按ECU故障代码信息定位到器件级。其他影响电站供电功能和安全性能的现场可更换单元的自动检测覆盖率不低于100%，要完全满足移动电站现场抢修自动故障测试的需要。④故障件检索，通过显控单元以文字或图、表的方式直观地显示故障件的型号、代号、在电站中的实际安装位置、备件存放位置和数量、器件完好性检测方法等信息。⑤维修指导，提供故障件的维修工具型号、拆除和安装方法、工艺要求、工艺辅料、维修后的检测要求和方法等。⑥应急使用指导，提供应急措施或应急使用方法，确保电站应急供电。

3.3 功能的测试与更新

移动电站的故障种类较多，自动检测故障库设定的故障案例和故障诊断流程均为典型、常见的故障类型。在工程设计结束后需经用户和行业专家的评审，在样机生产完成后，需对故障库的故障案例逐条测试，确保准确、有效、可行。同时，在使用过程中发现有需要案例调整，经评审通过的，管理员可对故障库的案例、诊断流程和维修方法等进行更新。